TECNOLOGIE PER ASTROFISICA DELLE ALTE...

TECNOLOGIE PER ASTROFISICA DELLE ALTE ENERGIE

Barbara Negri - ASI

Scuola Nazionale"Rivelatori ed Elettronica per Fisica delle Alte Energie,

Astrofisica ed Applicazioni Spaziali"INFN-Laboratori Nazionali di Legnaro

26-30 Marzo 2007

Tecnologie per Astrofisica delle alte energie

INFN-Legnaro 26-30 marzo 2007

Attività di R&D

• L’ASI ha avviato nel 2006 una serie di attività di sviluppo tecnologico (R&D) finalizzate alla realizzazione di nuovi apparati (rivelatori e ottiche) per l’Astrofisica delle alte energie

• Sono stati individuati cinque studi tecnologici che derivano da idee proposte a seguito del workshop sulle Tecnologie organizzato dall’ASI tenuto nel febbraio 2004

• L’obiettivo è quello di mettere in condizione la comunitànazionale di candidarsi ad una partecipazione qualificata nelle possibili nuove missioni di Astrofisica X e Gamma.



Obiettivi degli Studi Tecnologici

Questi studi tecnologici hanno lo scopo di:

a) mettere a punto le tecnologie necessarie per consolidare o migliorare il know-how già esistente negli istituti scientifici che sviluppano i prototipi degli strumenti per l’Astrofisica delle alte energie.

b) migliorare la conoscenza sulla disponibilità delle tecnologie di base già sviluppate nel campo e di permettere la valutazione delle tecnologie innovative di interesse dell’Italia in questo campo.



Contenuti degli studi tecnologici

• Payload per Polarimetria X: INAF/IASF, Roma e INFN, PisaStudio di fattibilità per la realizzazione di un prototipo di Polarimetro a MicroPattern per raggi X. Lo sviluppo, tutto italian o, di questa nuova tecnica, basata sulla visualizzazione delle tracce dei fotoelettroni in un rivelatore a gas finemente suddiviso, apre la via ad esperimenti di alta sensibilità da proporre per varie missioni future.

• Microcalorimetri criogenici TES : INAF/IASF, Roma e Un. di GenovaStudio di fattibilità per lo sviluppo in Italia di m icrocalorimetri criogeniciTES (a transizione di fase superconduttiva) di nuova generazione con capacità di imaging per applicazioni spaziali nella banda di energia X

• Ottiche per raggi X duri con cristalli a mosaico: Univ. di Ferrara Studio di fattibilità per lo sviluppo di un Demonstration Model (DM) per l’assemblaggio dei cristalli e di un Prototipe Model (PM) per verificare le prestazioni della lente di Laue



• Rivelatori X e Gamma con cristalli scintillatori e fotodiodi a bassissimo rumore di lettura : INAF/IASF, BolognaStudio di fattibilità per la realizzazione di prototipi di alcuni moduli rivelatori per radiazione X e Gamma composti da matrici di singoli rivelatori con cristalli scintillatori e fotodiodi a bassissimo rumore di lettura

• Rivelatori Spettroscopici X e Gamma in CZT: INAF/IASF, Milano e CNR/IMEM, ParmaStudio di fattibilità per la realizzazione in Italia di rivelatori della famiglia CdZnTe (CZT) con caratteristiche migliori r ispetto a quelli ora in commercio, per applicazioni nello spazio e a terra (medicali e di controllo)

Contenuti degli studi tecnologici (cont.)



GEM electric field

Concetto del rivelatore a Micro Pattern. Una regione di conversione /trasporto èseparata, mediante uno strato forato sottile di moltiplicazione, il Gas Electron Multiplier (GEM), dal piano di raccolta strutturato a matrice di pixel esagonali. L’informazione sulla polarizzazione è data dalle tracce dei fotoelettroni in un rivelatore a gas finemente suddiviso.

pixelpixelpixelpixel

GEM

20 ns

a E

X photon (E)

PCB

conversion gain

collection

POLARIMETRO PER ASTRONOMIA X



Ricostruzione delle tracce difotoelettroni

1) La traccia è registrata dal PIXel Imager

2) Valutazione del baricentro

3) Ricostruzione dell’asse principale della traccia

4) Ricostruzione del “conversion point"

5) Ricostruzione della direzione di emissione

Real track

Il grado e l’angolo di polarizzazione si ricavano dalla distribuzione angolare delle direzioni dei fotoelettroni

1 8

L’INFN di Pisa ha realizzato un sistema di controllo e acquisizione del polarimetro X basato sull’utilizzo di un ASIC a 105600 pixel, che e’ il chip più avanzato per applicazioni di Polarimetria X attualmente in uso. Una versione sigillata del rivelatore a gas MicroPattern sta funzionando nel laboratorio da 5 mesi.

Il Polarimetro X sigillato

Il chip ASIC a 105600 pixel



GEM a 50 µµµµm di passo con fori da 33 µµµµm di diametro. Il GEM moltiplica la carica generata dal fotoelettrone, il passo e i diametri permettono di sfruttare al massimo la alta granularità del piano di lettura costituito dal chip ASIC per la ricostruzione della direzione della traccia soprattutto alle basse energie.

Stabilità dell’altezza della pulsazione GEM dopo l’irraggiamento continuo della sorgente Fe55 ( linea blu) del detector sigillato

Gas Electron Multiplier



Il polarimetro X assemblato sull’elettronica di interfaccia e controllo

Il rivelatore assemblato interfacciato alla elettronica di controllo

Il set-up per le misure

Il corpo del polarizzatore



Risultati della campagna di misure (marzo 2007)

5.2 keV polarized photons for two angular rotation of the polarizer showing the good angular sensitivity.

Il fattore di modulazione misurato a 2.6 keV, 3.7 keV e 5.2 keV con XPOL è stato comparato con le previsioni del Monte Carlo. L’accordo delle misure è molto soddisfacente.



• I microcalorimetri criogenici a transizione di fase superconduttiva dei metalli TES (Transition Edge Sensor) rappresentano uno sviluppo di nuova generazione e sono considerati come uno degli strumenti prioritari per missioni della prossima generazione.

• I microcalorimetri TES forniscono risoluzioni di pochi eV nella banda tra 0.1 e 10 keV, con la prospettiva di raggiungere il traguardo dell’eV nello stesso range d’energia. L’ulteriore step rispetto alle tecnologie precedenti è la minore durata dell’impulso, che permette ratei di conteggio (1000 cts/s) maggiori di più di un ordine di grandezza, che li rende utilizzabili nel piano focale di telescopi di grande area o per sorgenti brillanti.

• Obiettivo di questo studio è la realizzazione di un prototipo di TES:– a singolo pixel – ad array con numero limitato di pixel

Microcalorimetri criogenici TES



La radiazione (microonde, X o gamma) viene assorbita e trasformata in calore da un assorbitore, l’aumento di temperatura risultante viene misurato da un sensore, un semiconduttore (parte sup. destra della figura) nel caso di un microcalorimetro a semiconduttore, o da film metallico alla transizione superconduttore – normale, caso dei TES (parte inferiore della figura). In questoultimo caso il sistema di lettura del segnale elettrico generato dal sensore necessita di uno stadio di preamplificazione a SQUID (Superconducting Quantum Interfererence Device).



Rivelatore

Descrizione del progetto (1)

Realizzazione di un prototipo di pixel con struttura e prestazioni in risoluzione spettrale che permettano di identificare le linee di sviluppo per la costruzione di un futuro strumento di volo per l’Astrofisica X

Attività di criogenia e misure

• set-up criogenico necessario per lo svolgimento delle misure

• up-grade del criostato• caratterizzazione dei rivelatori a singolo pixel • misure preliminari su un primo prototipo di array

• misure su singolo pixel con l’obiettivo prioritario di fornire una serie di fondamentali indicazioni sulle prestazioni del sensore, sul comportamento dell’assorbitore e sulle condizioni di lavoro in termini di interferenze elettromagnetiche

• misure su un rivelatore il cui assorbitore sarà il prodotto degli studi teorici e delle misure su diversi materiali per garantire migliori prestazioni del rivelatore.



Descrizione del progetto (2)

Lettura a SQUID multiplexati• Studio di sistema di lettura a SQUID basato su circuito a

doppio feedback• Studio di sistemi per lettura a SQUID con multiplexing

in frequenza con selezione di SQUID commerciali adatti a questo tipo di lettura

Elettronica fredda per lettura dei TES tramite SQUID

• Studio dei requisiti di una catena-tipo e analisi delle varie alternative per la realizzazione

• Analisi teorica supportata da simulazioni per la configurazione scelta

• Selezione e caratterizzazione di componentisticaelettronica per criogenia

• Realizzazione di un prototipo



Rivelatore TES

Sono stati condotti gli studi di progettazione di due tipi di rivelatori:

a) un rivelatore con geometria front-back costituito da un TES di Ir-Au su substrato di silicio e con assorbitore di tipo monocristallino montato sulla faccia opposta

b) un rivelatore a geometria planare su membrana sospesa di nitruro di silicio (SiN) il cui TES e assorbitoresono posti sulla stessa faccia della membrana.

a) Il rivelatore front-back è stato realizzato in modo da avere la possibilità di operare con diversi assorbitori, essendo prodotto in diverse copie per la parte di TES-substrato. L’assorbitore può essere cambiato in modo da confrontare direttamente le relative performance. La scelta convenuta, considerato anche la complessità dei processi di realizzazione, è stata in ordine di priorità: stagno monocristallino, bismuto monoscristallino e oro in film cresciuto sul substrato o foglio sottile. La scelta fra questi due ultime forme dell’assorbitore d’oro è in corso.

a) Parallelamente si sta procedendo alla prototipizzazione di un rivelatore su membrana di SiN. Lo studio è limitato alla messa a punto delle procedure di crescita dei film sulla membrana

TES ottenuto per Pulsed Laser Desposition direttamente su membrana



Criostato

Set-up sperimentale e up-grade del criostato:

Il criostato e’ basato su un sistema a doppio stadio (liquidfree) con pulse tube (1 K) e ADR (AdiabaticDemagnetization Refirgerator) che raggiunge t=50mKIl criostato è stato schermato da interferenze EM. è stato montato il portacampioni per utilizzare sorgenti di calibrazioni esterne, è stato montato lo SQUID e completato tutto il cablaggio.

Immagine del blocco portacampioni montato

sul dito freddo del criostato

e SQUID con relativa colonna di sostegno



Studio e realizzazione di rivelatori X e Gamma con cristalli scintillatori e fotodiodi (PD) a bassissimo rumore di lettura. Per i PD si impiegano devices a tecnologia Silicon Drift Chambers (SDC). L’obiettivo di questo studio tecnologico è:

• La realizzazione di un modulo di alta energia (HE) segmentato, che utilizzi cristalli scintillatori e fotodiodi low noise.

• La realizzazione di un modulo di rivelazione ad Energia Estesa verso il basso (Extended Range-ER), basato su cristalli scintillatori SDC-PD ed elettronica peculiare.

• Il design e realizzazione di un ASIC (Application Specific Integrated Circuit) da impiegare in rivelatori di futura generazione per la lettura di PD-SDC.

• L’analisi critica della attività svolta sia riguardo ai risultati ottenuti sia riguardo all’ impiego di queste tecnologie in ambiente spazio.

Rivelatori X e Gamma con cristalli scintillatori e fotodiodi a bassissimo rumore di lettura



Il Gap di sensibilità nel MeV

La difficoltà nella rivelazione della radiazione gamma deriva dalla mancanza di

sensibilità per questo tipo di telescopi

The‚MeV‘gap !

La progettazione di una nuova generazione di telescopi gamma richiede nuovi

rivelatori per raggi gamma con performance notevolmente migliorate



Miglioramento dei rivelatori

REQUISITI:

► Range di Energia esteso: (pochi keV, poche decine di MeV)

►Efficienza alta nell’intero range di energia

► Energy Resolution molto buona nell’intero range: (few % FWHM)

► Timing Resolution di qualche decina di nsec

► Possibilità di accomodare il rivelatore in arrays per ottenere piani position sensitive

PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO

►Materiali Scintillatori possono essere usati efficientemente per i gamma-rays. Un gamma-ray

interagisce con lo scintillatore perdendo tutta o parte della sua energia, che viene convertita in luce,

la quale è convertita in carica da un opportuno photodetector.

-► Lo scintillatore dovrebbe essere grosso per aumentare l’efficienza, veloce nell’emissione della

luce, efficiente nel transformare la radiazione in luce.

► Il photodetector dovrebbe essere efficiente nel transformare il segnale lumonoso in carica, veloce,

con un bassissimo rumore intrinseco.



Silicon Drift Detectors (SDD)

Silicon Drift Detectors (SDD) sono dispositivi al silicio introdotti per la prima volta da E. Gatti e P. Rehak nel 1984 (Gatti & Rehak, NIM A225, 1984)

Modulazione del campo elettrico nellaregione di svuotamento con Polarizzazione opportuna degli elettrodi.

Le cariche driftano verso l’anodo di raccolta di dimensioni molto contenute:► bassa capacità di uscita del device► basso rumore elettronico► risoluzione migliore di un device equivalente con tecnologia PIN o APD

■ Possibilità di integrare il JFET al primo stadio del pre-amplificatore direttamente sul chip riducendo le capacità parassite■ Disponibile in varie dimensioni■ Disponibili come device singoli o come array integrati.



Gamma Ray detector module (60-80 detectors)

SDC board

Signal distribution boardASIC boardDFEE board

Ibridi SDClato del cristallo TBD

Il modulo di HE combina un array SDD con scintillatori per realizzare un position sensitive detector. L’elettronica di read-out è realizzata con chip Very Large Scale Integrated su un ASIC (Application Specific Integrated Circuit) dedicato.



SDD array per Modulo di alta energia (HE)SDC FRONT SIDE

SDC BACK SIDE

BONDING

CONNECTION PINS(ABOUT 80)

FR4or

Alumina

WINDOW

Consiste di una matrice di detector individuali, ognuno costituito da un cristallo di scintillatore ed da un SDC-PD. L’elettronica di read-out èdivisa in una parte analogica basata su circuiti ASIC e in una parte digitale.

Caratteristiche del modulo HE:

- Range gamma 30 - 5000 keV- Risoluzione E circa 5 % FWHM @ 661 keVper eventi interagenti su un solo pixel- Risoluzione temporale qualche msec



Modulo per Energia Estesa (ER) I/F SDC-Shaping amps

(TBD if charge prea-amp)

Board UPD (SDC e scintillatori che attraversano la board)

I/F to Shaping amps

I/F to Shaping amps

Power supply input

Il Modulo include il cristallo scintillatore e SDD.... Le SDC sono utilizzate sia per la rivelazione diretta della radiazione (tra circa 1 e 15 keV) sia per il read-out della luce di scintillazione. La discriminazione tra i due tipidi evento avviene per via elettronica con l’analisi della forma dei segnali. Caratteristiche aspettate dal modulo ER:

● Range gamma circa 1 - 1000 keV● Risoluzione E circa 5 % FWHM @ 661 keV ramo gamma

circa 2 % FWHM @ 60 keV ramo X● Risoluzione temporale qualche msec



Obiettivo dello studioObiettivo dello studio: valutare la possibilità di stimolare in Italia la produzione di rivelatori CdZnTe con il duplice scopo di mantenere la posizione di eccellenza raggiunta nel campo della strumentazione per Astrofisica e per aprire all'industria Italiana una vasta scelta di applicazioni in altri campi.

Questo si otterrQuesto si otterràà concon:• Lo studio di alcuni cristalli di CZT cresciuti e preparati con diverse

tecniche di lavorazione, deposito contatti e bonding. • I rivelatori saranno sottoposti a test di laboratorio ed i risultati confrontati

con le previsioni dei modelli. • Le procedure di crescita, le tecniche di lavorazione superficiale e di

metallizzazione nonché la deposizione dei contatti saranno ridefinite iterativamente in base alle risultanze dei test.

• I progressi attesi: riduzione corrente di fuga e incremento raccolta di carica, dovranno essere accompagnati da un'adeguata ottimizzazione della catena di AFEE tendente a minimizzare il rumore strumentale.

• In parallelo, si metterà a punto l'architettura della DFEE per un'ottimale elaborazione del segnale e ricostruzione degli eventi significativi.

Rivelatori spettroscopici X e Gamma in CZT



Crescita di cristalli

E’ stato cresciuto un cristallo di CdZnTe(CZT) da un pollice di diametro e 128 grammi.

La percentuale di Zinco introdotta è del 10%.Il cristallo è stato drogato con Indio, in concentrazione di 7.8 ppmw, ottenendo elevata resistività elettrica.

La superficie esterna lucente indica l’assenza di tracce di interazione tra crogiolo e cristallo. Questo prova che si è in grado di eliminare gli effetti negativi della interazione crogiolo/cristallo ben descritti in letteratura.Effettuate con successo le operazioni di taglio e lavorazione superficialesi è proceduto alla metallizzazione in orosu campioni di CZT mediante duediverse tecniche:

a) Evaporazione dei contatti in ultra alto vuoto, poco efficace in quanto richiede una superficie con grande cura prima dell’evaporazione con numerosi cicli di lavaggi in solventi organici.b) Metallizzazione detta “electroless”. Consiste nell’immersione dei campioni in una soluzione di acqua de-ionizzata e AuCl3. Il CZT reagisce con tale soluzione, con la conseguente deposizione di uno strato di oro sulla superficie del cristallo.



Test sul cristallo

La deposizione dei contatti ha permesso la caratterizzazione del cristallo ottenuto. Il risultato dei test è mostrato nel grafico seguente.

Il cristallo mostra buone caratteristiche morfologiche come l’elevata resistivitàelettrica. Con questo cristallo si stanno preparando i rivelatori con le caratteristiche geometriche concordate per i test con sorgenti radioattive.



Energy (keV)0 20 40 60 80 100 120 140

Cou

nts

0

1000

2000

3000

4000

5000

241Am57Co

Caratterizzazione del cristallo

Sono state definite:

● Dimensioni geometriche dei rivelatori (area e spessore) ● Caratteristiche dei pin di uscita del supporto meccanico (materiale, passo e tipo)● Procedure e il tipo dei test per la verifica dei rivelatori prodotti. ● Elettronica di lettura standard (preamplificatore di carica, sistema di alimentazione) da utilizzare per le misure sperimentali.

Scatole di test e prime misure con il set-up elettronico messo a punto per le prossime caratterizzazioni



Attività in corso:

Proposte di strumenti di nuova generazione basati sui rivelatori CZT in studio sono state presentate nei consorzi di EDGE e GRI in vista del prossimo bando ESA.

Si stanno raccogliendo dati sulle caratteristiche dei telescopi gamma in studio in ambito mondiale.

Alcuni studi ed i primi progetti sono stati presentati nei consorzi indicati. In figura la proposta per un IMAGER ad alta risoluzione spaziale per GRI

Studio di applicazioni a telescopi Gamma

IMAGER di grande area (1m2) per il piano di rivelazione di una missione formation-flying



Obiettivo di questo studio è lo sviluppo di un prototipo di Lente di Laue per testare la capacità di queste lenti di focalizzare raggi X duri e raggi Gamma per energie sopra 60 keV, dove gli specchi multilayers cominciano a decrescere nelle loro capacità.

Sviluppo di un Demonstration Model di lente• realizzazione preliminare di un mock up basato su mattonelle di rame amorfo, prima dell’impiego dei cristalli a

mosaico di rame anch’essi Cu(111).

• Lo scopo del mock-up è quello di individuare la strategia di assemblaggio di una lente fatta di mattonelle di rame di sezione 15x15mm2 e spessore 2 mm e 4 mm, e i problemi meccanici connessi.

Sviluppo di un prototipo di Lente di Laue

• Inner radius: 6 cm• External radius: 21 cm• Crystal material: Cu (111)• Crystal element size: 15x15 mm2

• Tile number: 30• Crystal thicknesses: 2 mm and 4 mm .

Schema della lente di Laue fatta da mattonelle di rame di superficie 15x15 mm2. In rosso èmostrato il settore del mock-up sviluppato per testare la tecnica di assemblaggio.



Tecniche di Assemblaggio adottate (1)



• Un aspetto importante è dato dal posizionamento dei cristalli, al fine di ottenere una lente con la massima concentrazione dei fotoni. Per fare questo è risultata fondamentale la precisione di posizionamento dei varicristalli sul supporto meccanico della lente. Allo scopo sono state utilizzate due spine di riferimento incollate al cristallo, la prima per bloccarne la posizione e la seconda per bloccarne la rotazione.

Tecniche di Assemblaggio adottate (2)

X-RayTube

Detector

CrystalCrystal pin

foto di una coppia di spine incollata a una mattonella di rame amorfo Disegno meccanico di

una coppia di spine

Test ottici con la facility in raggi X di Ferrara



Assemblaggio del modello di mock up del DM

Contro maschera forata per ospitare le coppie di spine

Cristalli assemblati nella contro maschera

A) Applicate le spine, i cristalli vengono posizionati su una maschera forata in acciaio inox, per riprodurre la geometria della lente. I fori della maschera sono stati realizzati in modo da avere il loro asse diretto verso il centro della sfera. Ciò garantisce la focalizzazione dei fotoni a R/2.

B) L’approccio attuale per montare le lenti, cioè il montaggio dei cristalli di rame su di un supporto sferico strutturale, è basato su una contro-maschera, che è il negativo della lente.



Assemblaggio del modello di mock-up del DM

Deposizione della colla sul cristallo assemblato

Assemblaggio del supporto in fibra di carbonio della lente

Mock-up assemblato

Ultima fase:Ultima fase: separazione dei cristalli, incollati al supporto in carbonio, dalla maschera di assemblaggio. Si usa un bagno in soda caustica per dissolvere la parte in alluminio delle spine.



Gamma-Ray Burst Monitor

25 25 keVkeV –– 2 2 MeVMeV

WideWide FieldField MonitorsMonitors

¼¼ of the of the skysky, 3, 3’’ localizationlocalization

55--200 200 keVkeV

WideWide FieldField SpectrometerSpectrometer: :

[email protected]@0.5keV

0.10.1--3 3 keVkeV TESTES ∆∆E=2eVE=2eV

Field=0Field=0.5.5°° ang.res=2ang.res=2’’

WideWide FieldField ImagerImager::

1000cm1000cm22@1keV 0.3@1keV 0.3--10 10 keVkeV CCDCCD

Field=1 ang.res=10Field=1 ang.res=10”” over the FOVover the FOV

VegaVega LauncherLauncher

2 2 tonstons in LEOin LEO

i<5i<5°°

AutonomousAutonomous fast fast

(1 (1 minmin) ) pointingpointing

Possibili applicazioni dei detectors in una missione futura: EDGE

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